რა არის ქიმიური რეაქტორები? ქიმიური რეაქტორების სახეები

2024 ავტორი: Howard Calhoun | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-02 13:57

ქიმიური რეაქცია არის პროცესი, რომელიც იწვევს რეაგენტების ტრანსფორმაციას. იგი ხასიათდება ცვლილებებით, რაც იწვევს ერთ ან მეტ პროდუქტს, რომელიც განსხვავდება ორიგინალისგან. ქიმიური რეაქციები განსხვავებული ხასიათისაა. ეს დამოკიდებულია რეაგენტების ტიპზე, მიღებულ ნივთიერებაზე, სინთეზის პირობებზე და დროზე, დაშლის, გადაადგილების, იზომერიზაციის, მჟავა-ტუტოვანი, რედოქსის, ორგანული პროცესების და ა.შ.

ქიმიური რეაქტორები არის კონტეინერები, რომლებიც შექმნილია რეაქციების განსახორციელებლად საბოლოო პროდუქტის წარმოებისთვის. მათი დიზაინი დამოკიდებულია სხვადასხვა ფაქტორებზე და უნდა უზრუნველყოფდეს მაქსიმალურ გამომუშავებას ყველაზე ეკონომიური გზით.

ნახვები

არსებობს ქიმიური რეაქტორების სამი ძირითადი ძირითადი მოდელი:

• პერიოდული.
• უწყვეტი მორევა (CPM).
• დგუშის ნაკადის რეაქტორი (PFR).

ეს ძირითადი მოდელები შეიძლება შეიცვალოს ქიმიური პროცესის მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად.

პარტიული რეაქტორი

ამ ტიპის ქიმიური ერთეულები გამოიყენება სერიულ პროცესებში დაბალი წარმოების მოცულობით, ხანგრძლივი რეაქციის დროს ან სადაც უკეთესი სელექციურობა მიიღწევა, როგორც ზოგიერთ პოლიმერიზაციის პროცესში.

ამისათვის გამოიყენება, მაგალითად, უჟანგავი ფოლადის კონტეინერები, რომელთა შიგთავსი შერეულია შიდა სამუშაო პირებთან, გაზის ბუშტებთან ან ტუმბოების გამოყენებით. ტემპერატურის კონტროლი ხორციელდება სითბოს გადამცვლელი ჟაკეტების, სარწყავი გამაგრილებლების ან სითბოს გადამცვლელის მეშვეობით ამოტუმბვის გამოყენებით.

პარტიული რეაქტორები ამჟამად გამოიყენება ქიმიურ და კვების გადამამუშავებელ მრეწველობაში. მათი ავტომატიზაცია და ოპტიმიზაცია ქმნის სირთულეებს, რადგან აუცილებელია უწყვეტი და დისკრეტული პროცესების გაერთიანება.

ნახევრად სერიული ქიმიური რეაქტორები აერთიანებს უწყვეტ და სერიულ მუშაობას. მაგალითად, ბიორეაქტორი პერიოდულად იტვირთება და მუდმივად გამოყოფს ნახშირორჟანგს, რომელიც მუდმივად უნდა მოიხსნას. ანალოგიურად, ქლორირების რეაქციაში, როდესაც ქლორის აირი არის ერთ-ერთი რეაქტიული ნივთიერება, თუ ის მუდმივად არ არის შეყვანილი, მისი უმეტესი ნაწილი აორთქლდება.

წარმოების დიდი მოცულობის უზრუნველსაყოფად ძირითადად გამოიყენება უწყვეტი ქიმიური რეაქტორები ან ლითონის ავზები აგიტატორით ან უწყვეტი ნაკადით.

უწყვეტი მორევის რეაქტორი

თხევადი რეაგენტები იკვებება უჟანგავი ფოლადის ავზებში. სათანადო ურთიერთქმედების უზრუნველსაყოფად, ისინი შერეულია სამუშაო პირებით. ამრიგად, inამ ტიპის რეაქტორებში რეაქტორები განუწყვეტლივ იკვებება პირველ ავზში (ვერტიკალური, ფოლადი), შემდეგ ისინი შედიან შემდეგში, ხოლო თითოეულ ავზში საფუძვლიანად შერეულია. მიუხედავად იმისა, რომ ნარევის შემადგენლობა თითოეულ ცალკეულ ავზში ერთგვაროვანია, მთლიან სისტემაში კონცენტრაცია განსხვავდება ავზიდან მეორეში.

რეაგენტის დისკრეტული რაოდენობის ავზში გატარებული დროის საშუალო რაოდენობა (ცხოვრების დრო) შეიძლება გამოითვალოს მხოლოდ ავზის მოცულობის გაყოფით მასში საშუალო მოცულობითი ნაკადის სიჩქარეზე. რეაქციის დასრულების მოსალოდნელი პროცენტი გამოითვლება ქიმიური კინეტიკის გამოყენებით.

ტანკები დამზადებულია უჟანგავი ფოლადისგან ან შენადნობისგან, ასევე მინანქრის საფარით.

NPM-ის ზოგიერთი მნიშვნელოვანი ასპექტი

ყველა გამოთვლა ეფუძნება სრულყოფილ შერევას. რეაქცია მიმდინარეობს საბოლოო კონცენტრაციასთან დაკავშირებული სიჩქარით. წონასწორობისას, ნაკადის სიჩქარე უნდა იყოს ტოლი ნაკადის სიჩქარის, წინააღმდეგ შემთხვევაში, ავზი გადაედინება ან დაცარიელდება.

ხშირად ეფექტურია მრავალ სერიულ ან პარალელურ HPM-ებთან მუშაობა. ხუთ ან ექვს ერთეულ კასკადში აწყობილი უჟანგავი ფოლადის ტანკები შეიძლება მოიქცნენ როგორც დანამატი ნაკადის რეაქტორი. ეს საშუალებას აძლევს პირველ ერთეულს იმუშაოს რეაქციის უფრო მაღალი კონცენტრაციით და, შესაბამისად, უფრო სწრაფი რეაქციის სიჩქარით. ასევე, HPM-ის რამდენიმე ეტაპი შეიძლება განთავსდეს ვერტიკალურ ფოლადის ავზში, ნაცვლად პროცესების განხორციელების სხვადასხვა კონტეინერებში.

ჰორიზონტალურ ვერსიაში, მრავალსაფეხურიანი ერთეული დაყოფილია სხვადასხვა სიმაღლის ვერტიკალური ტიხრებით, რომლებშიც ნარევი მიედინება კასკადებად.

როდესაც რეაქტორები ცუდად არის შერეული ან მნიშვნელოვნად განსხვავდებიან სიმკვრივით, ვერტიკალური მრავალსაფეხურიანი რეაქტორი (დახაზული ან უჟანგავი ფოლადი) გამოიყენება კონტრადენციის რეჟიმში. ეს ეფექტურია შექცევადი რეაქციების განსახორციელებლად.

პატარა ფსევდო-თხევადი ფენა სრულად არის შერეული. დიდი კომერციული თხევადი საწოლის რეაქტორს აქვს არსებითად ერთიანი ტემპერატურა, მაგრამ შერეული და გადაადგილებული ნაკადებისა და მათ შორის გარდამავალი მდგომარეობების ნაზავია.

შემავალი ქიმიური რეაქტორი

RPP არის რეაქტორი (უჟანგავი), რომელშიც ერთი ან მეტი თხევადი რეაგენტი ტუმბოს მილში ან მილებში. მათ ასევე უწოდებენ tubular ნაკადს. მას შეიძლება ჰქონდეს რამდენიმე მილი ან მილი. რეაგენტები მუდმივად შედიან ერთი ბოლოდან და პროდუქტები გამოდიან მეორედან. ქიმიური პროცესები ხდება ნარევის გავლისას.

RPP-ში რეაქციის სიჩქარე გრადიენტულია: შეყვანისას ის ძალიან მაღალია, მაგრამ რეაგენტების კონცენტრაციის შემცირებით და გამომავალი პროდუქტების შემცველობის ზრდით, მისი სიჩქარე ნელდება. ჩვეულებრივ მიიღწევა დინამიური წონასწორობის მდგომარეობა.

როგორც ჰორიზონტალური, ისე ვერტიკალური რეაქტორის ორიენტაცია საერთოა.

როდესაც საჭიროა სითბოს გადაცემა, ცალკეული მილები იხურება ან გამოიყენება გარსისა და მილის სითბოს გადამცვლელი. ამ უკანასკნელ შემთხვევაში, ქიმიკატები შეიძლება იყოსროგორც ჭურვიში, ასევე მილში.

დიდი დიამეტრის ლითონის კონტეინერები საქშენებით ან აბანოებით RPP-ის მსგავსია და ფართოდ გამოიყენება. ზოგიერთი კონფიგურაცია იყენებს ღერძულ და რადიალურ ნაკადს, მრავალ გარსს ჩაშენებული სითბოს გადამცვლელებით, რეაქტორის ჰორიზონტალურ ან ვერტიკალურ პოზიციაზე და ა.შ.

რეაგენტის ჭურჭელი შეიძლება შეივსოს კატალიზური ან ინერტული მყარით, რათა გააუმჯობესოს ინტერფეისური კონტაქტი ჰეტეროგენულ რეაქციებში.

RPP-ში მნიშვნელოვანია, რომ გამოთვლებში არ იყოს გათვალისწინებული ვერტიკალური ან ჰორიზონტალური შერევა - ეს არის ის, რაც იგულისხმება ტერმინში "დამაკავშირებელი ნაკადი". რეაგენტები შეიძლება რეაქტორში შევიდეს არა მხოლოდ შესასვლელით. ამრიგად, შესაძლებელია RPP-ის უფრო მაღალი ეფექტურობის მიღწევა ან მისი ზომისა და ღირებულების შემცირება. RPP-ის შესრულება ჩვეულებრივ უფრო მაღალია, ვიდრე იმავე მოცულობის ჰესების. დგუშის რეაქტორებში მოცულობის და დროის თანაბარი მნიშვნელობებით, რეაქციას ექნება დასრულების უფრო მაღალი პროცენტი, ვიდრე შერევის ერთეულებში.

დინამიური ბალანსი

ქიმიური პროცესების უმეტესობისთვის შეუძლებელია 100 პროცენტით დასრულება. მათი სიჩქარე მცირდება ამ მაჩვენებლის ზრდასთან ერთად იმ მომენტამდე, როდესაც სისტემა მიაღწევს დინამიურ წონასწორობას (როდესაც არ ხდება მთლიანი რეაქცია ან შემადგენლობის ცვლილება). უმეტეს სისტემებისთვის წონასწორობის წერტილი პროცესის 100%-ზე დაბალია. ამ მიზეზით, აუცილებელია განცალკევების პროცესის ჩატარება, როგორიცაა დისტილაცია, დარჩენილი რეაქტორების ან ქვეპროდუქტების გამოყოფა.სამიზნე. ეს რეაგენტები ზოგჯერ შეიძლება ხელახლა იქნას გამოყენებული ისეთი პროცესის დაწყებისას, როგორიცაა ჰაბერის პროცესი.

PFA-ს აპლიკაცია

დგუშის ნაკადის რეაქტორები გამოიყენება ნაერთების ქიმიური ტრანსფორმაციის განსახორციელებლად, როდესაც ისინი მოძრაობენ მილის მსგავს სისტემაში ფართომასშტაბიანი, სწრაფი, ერთგვაროვანი ან ჰეტეროგენული რეაქციების, უწყვეტი წარმოებისა და მაღალი სითბოს წარმოქმნის პროცესებისთვის.

იდეალურ RPP-ს აქვს ფიქსირებული ყოფნის დრო, ანუ ნებისმიერი სითხე (დგუში), რომელიც შედის t დროს, დატოვებს მას t + τ დროს, სადაც τ არის ინსტალაციის დროს დარჩენის დრო.

ამ ტიპის ქიმიურ რეაქტორებს აქვთ მაღალი წარმადობა ხანგრძლივი დროის განმავლობაში, ასევე შესანიშნავი სითბოს გადაცემა. RPP-ების უარყოფითი მხარეა პროცესის ტემპერატურის კონტროლის სირთულე, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ტემპერატურის არასასურველი რყევები და მათი მაღალი ღირებულება.

კატალიტიკური რეაქტორები

მიუხედავად იმისა, რომ ამ ტიპის ერთეულები ხშირად დანერგილია როგორც RPP, ისინი საჭიროებენ უფრო რთულ მოვლას. კატალიზური რეაქციის სიჩქარე პროპორციულია ქიმიკატებთან კონტაქტში კატალიზატორის რაოდენობით. მყარი კატალიზატორისა და თხევადი რეაქტიული ნივთიერებების შემთხვევაში, პროცესების სიჩქარე პროპორციულია ხელმისაწვდომი ფართობის, ქიმიკატების შეყვანისა და პროდუქტების ამოღების პროპორციულია და დამოკიდებულია ტურბულენტური შერევის არსებობაზე.

კატალიზური რეაქცია სინამდვილეში ხშირად მრავალსაფეხურიანია. Არა მხოლოდსაწყისი რეაგენტები ურთიერთქმედებენ კატალიზატორთან. ზოგიერთი შუალედური პროდუქტი ასევე რეაგირებს მასზე.

კატალიზატორების ქცევა ასევე მნიშვნელოვანია ამ პროცესის კინეტიკაში, განსაკუთრებით მაღალი ტემპერატურის ნავთობქიმიურ რეაქციებში, რადგან ისინი დეაქტივირებულია აგლომერაციის, კოქსირების და მსგავსი პროცესების შედეგად.

ახალი ტექნოლოგიების გამოყენება

RPP გამოიყენება ბიომასის კონვერტაციისთვის. ექსპერიმენტებში გამოიყენება მაღალი წნევის რეაქტორები. მათში წნევამ შეიძლება მიაღწიოს 35 მპა-ს. რამდენიმე ზომის გამოყენება საშუალებას იძლევა განსხვავდებოდეს ბინადრობის დრო 0.5-დან 600 წმ-მდე. 300 °C-ზე მაღალი ტემპერატურის მისაღწევად გამოიყენება ელექტროგაცხელებული რეაქტორები. ბიომასის მიწოდება ხდება HPLC ტუმბოებით.

RPP აეროზოლის ნანონაწილაკები

არის მნიშვნელოვანი ინტერესი ნანო ზომის ნაწილაკების სინთეზისა და გამოყენების მიმართ სხვადასხვა მიზნებისთვის, მათ შორის მაღალი შენადნობის შენადნობებისა და სქელი ფენის გამტარებლების ელექტრონიკის ინდუსტრიისთვის. სხვა აპლიკაციებში შედის მაგნიტური მგრძნობელობის გაზომვები, შორს ინფრაწითელი გადაცემა და ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი. ამ სისტემებისთვის აუცილებელია კონტროლირებადი ზომის ნაწილაკების წარმოება. მათი დიამეტრი ჩვეულებრივ 10-დან 500 ნმ-მდეა.

ზომის, ფორმისა და მაღალი სპეციფიკური ზედაპირის გამო, ეს ნაწილაკები შეიძლება გამოყენებულ იქნას კოსმეტიკური პიგმენტების, მემბრანების, კატალიზატორების, კერამიკის, კატალიზური და ფოტოკატალიზური რეაქტორების დასამზადებლად. ნანონაწილაკების გამოყენების მაგალითებია SnO₂ სენსორებისთვისნახშირბადის მონოქსიდი, TiO₂ მსუბუქი სახელმძღვანელოსთვის, SiO_{2 კოლოიდური სილიციუმის დიოქსიდისა და ოპტიკური ბოჭკოებისთვის, C საბურავებში ნახშირბადის შემავსებლებისთვის, Fe ჩამწერი მასალებისთვის, Ni ბატარეებისთვის და, ნაკლებად, პალადიუმი, მაგნიუმი და ბისმუტი. ყველა ეს მასალა სინთეზირებულია აეროზოლურ რეაქტორებში. მედიცინაში ნანონაწილაკები გამოიყენება ჭრილობების ინფექციების პროფილაქტიკისა და სამკურნალოდ, ხელოვნური ძვლის იმპლანტანტებში და ტვინის ვიზუალიზაციისთვის.}

წარმოების მაგალითი

ალუმინის ნაწილაკების მისაღებად, ლითონის ორთქლით გაჯერებული არგონის ნაკადი გაგრილდება RPP-ში 18 მმ დიამეტრით და 0,5 მ სიგრძით 1600 °C ტემპერატურიდან 1000 °C/წმ სიჩქარით.. როდესაც გაზი გადის რეაქტორში, ხდება ალუმინის ნაწილაკების ნუკლეაცია და ზრდა. ნაკადის სიჩქარეა 2 დმ3/წთ და წნევა არის 1 ატმ (1013 Pa). როდესაც ის მოძრაობს, გაზი კლებულობს და ხდება ზეგაჯერებული, რაც იწვევს ნაწილაკების ბირთვს მოლეკულების შეჯახებისა და აორთქლების შედეგად, მეორდება მანამ, სანამ ნაწილაკი არ მიაღწევს კრიტიკულ ზომას. როდესაც ისინი გადაადგილდებიან ზეგაჯერებულ გაზში, ალუმინის მოლეკულები კონდენსირდება ნაწილაკებზე და იზრდება მათი ზომა.